JP2017057449A - 耐サワー性に優れた鋼板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、このような実情に鑑みて、耐サワー性に優れた鋼板及びその製造方法を提供することを課題とする。
[1]質量%で、
C:0.02〜0.09%、
Si:0.01〜0.60%、
Mn:0.1〜2.0%、
sol.Al:0.005〜0.09%
を含有し、さらに、
Cu:0.90%以下、
Ni:0.90%以下、
Cr:0.90%以下、
Mo:0.90%以下、
V:0.09%以下、
Nb:0.09%以下、
Ti:0.09%以下、
B:0.004%以下、
Ca:0.01%以下、
REM:0.1%以下、
Zr:0.1%以下、
Mg:0.01%以下、
の1種又は2種以上を含有し、残部がFe及び不純物からなり、前記不純物のうち、P、S、N、Oを、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
N:0.009%以下、
O:0.003%以下
に制限し、
(1)式に示すPcmが0.10〜0.20%、(2)式に示すCeqLが0.10〜0.60%であり、
フェライト面積率が85%超、フェライト平均粒径が10μm未満、
パーライト面積率が3%以上15%未満、パーライト最大長さが100μm以下
であることを特徴とする耐サワー性に優れた鋼板。
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B ・・・(1)
CeqL=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 ・・・(2)
ここで、式中の各元素記号は、鋼板中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
(a)水素誘起割れの発生と伝播には硬質組織が影響する。耐サワー性の改善には、特にバンド状の硬質組織(特に、パーライト)の解消が重要である。
(A)化学組成について
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
[C:0.02〜0.09%]
Cは、鋼の強度を高めるために必要な元素である。その効果を得るためにCの含有量を0.02%以上とする必要がある。一方、Cの含有量が過剰となると靭性、及び耐サワー性が劣化するため、C含有量を0.09%以下とする必要がある。C含有量は0.04%以上とすることが望ましい。また、C含有量は0.07%以下とすることが望ましく、0.06%以下とすることがより望ましい。
Siは、製鋼における脱酸元素として有効であると共に、強度を高める効果を有する元素である。その効果を得るためには、Siを0.01%以上含有させる必要がある。しかし、Siを過剰に含有させると靱性が劣化するため、0.60%以下に限定する。Si含有量は0.05%以上とすることが望ましい。また、Si含有量は0.40%以下とすることが望ましく、0.30%以下とすることがより望ましい。
Mnは、鋼の強度を高める作用を有する元素である。その効果を得るためにMnの含有量を0.1%以上とする必要がある。一方、Mnの含有量が過剰となると、靭性、及び耐サワー性が劣化するため、Mn含有量を2.0%以下とする必要がある。Mn含有量は1.0%以上とすることが望ましい。また、Mn含有量は1.8%以下とすることが望ましく、1.6%以下とすることがより望ましい。
Alは、Siと同様に脱酸に有効な元素である。そのため、sol.Al(「酸可溶Al」)として0.005%以上含有させる必要がある。一方、その含有量が過剰となると靱性を劣化させるため、上限を0.09%とする。sol.Al含有量は0.01%以上とすることが望ましく、0.02%以上とすることがより望ましい。また、sol.Al含有量は0.06%以下とすることが望ましい。
Cuは、強度上昇に有効な元素であるので、必要に応じて含有させても良い。しかし、Cuを過剰に含有させると、靭性を劣化させる可能性がある。したがって、含有させる場合のCu含有量は0.90%以下とする。より望ましくは0.50%以下、さらに望ましくは0.30%以下とする。一方、上記の効果を得るためには、Cu含有量は0.10%以上であることが望ましい。
Niは、強度上昇に有効であると共に、靱性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じてNiを含有させても良い。しかし、Niは高価な元素であり、含有させる場合のNi含有量は0.90%以下とする。より望ましくは0.50%以下、さらに望ましくは0.30%以下とする。一方、上記の効果を得るためには、Ni含有量は0.10%以上であることが望ましい。
Crは、強度上昇に有効な元素であるので、必要に応じて含有させても良い。しかし、Crを過剰に含有させると、靭性を劣化させる可能性がある。したがって、含有させる場合のCr含有量は0.90%以下とする。より望ましくは0.50%以下、さらに望ましくは0.30%以下とする。一方、上記の効果を得るためには、Cr含有量は0.10%以上であることが望ましい。
Moは、強度上昇に有効な元素であるので、必要に応じて含有させても良い。しかし、Moを過剰に含有させると、靭性を劣化させる可能性がある。したがって、含有させる場合のMo含有量は0.90%以下とする。より望ましくは0.50%以下とする。一方、上記の効果を得るためには、Mo含有量は0.05%以上であることが望ましい。
Vは、強度上昇に有効な元素であるので、必要に応じて含有させても良い。しかし、Vを過剰に含有させると、靭性を劣化させる可能性がある。したがって、含有させる場合のV含有量は0.09%以下とする。より望ましくは0.05%以下とする。一方、上記の効果を得るためには、V含有量は0.01%以上であることが望ましい。
Nbは、強度上昇に有効であると共に、靱性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じてNbを含有させても良い。しかし、Nbを過剰に含有させると、耐サワー性を劣化させる可能性がある。したがって、含有させる場合のNb含有量は0.09%以下とする。より望ましくは0.06%以下、さらに望ましくは0.04%以下とする。一方、上記の効果を得るためには、Nb含有量は0.01%以上であることが望ましい。
Tiは、Nと結合してTiNを形成することで溶接熱影響部(HAZ)の靱性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じてTiを含有させても良い。しかし、Tiを過剰に含有させると、靭性、及び耐サワー性を劣化させる可能性がある。したがって、含有させる場合のTi含有量は0.09%以下とする。Ti含有量は0.03%以下であることが望ましい。一方、上記の効果を得るためには、Ti含有量は0.01%以上であることが望ましい。
Bは、焼入れ性を向上させて強度を高める作用を有する元素である。そのため、必要に応じてBを含有させても良い。しかし、Bを過剰に含有させると、靭性を劣化させる可能性がある。したがって、含有させる場合のB含有量は0.004%以下とする。B含有量は0.002%以下であるのが望ましい。一方、上記の効果を得るためには、B含有量は0.0003%以上であるのが望ましい。
Caは、硫化物(特にMnS)の形態を制御し、靱性、及び耐サワー性を向上させるのに有効な元素である。そのため、必要に応じてCaを含有させても良い。しかし、Caを過剰に含有させると、靱性、及び耐サワー性に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、含有させる場合のCa含有量は0.01%以下とする。Ca含有量は0.005%以下であるのが望ましい。一方、上記の効果を得るためには、Ca含有量は0.001%以上であるのが望ましい。
REMは、硫化物の形態を制御し、靱性を向上させるのに有効な元素である。そのため、必要に応じてREMを含有させても良い。しかし、REMを過剰に含有させると、靱性に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、含有させる場合のREM含有量は0.1%以下とする。REM含有量は0.05%以下であるのが望ましい。一方、上記の効果を得るためには、REM含有量は0.001%以上であるのが望ましい。
Zrは酸化物や窒化物を形成し、HAZのオーステナイト粒の粗大化を抑制し、靭性を改善する効果を有する元素である。そのため、必要に応じてZrを含有させても良い。しかし、Zrを過剰に含有させると、靱性に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、含有させる場合のZr含有量は0.1%以下とする。一方、上記の効果を得るためには、Zr含有量は0.005%以上であるのが望ましい。
Mgは、微細に分散した酸化物を形成し、特に溶接熱影響部のオーステナイト粒径の粗大化を抑制して靭性を向上させるのに有効な元素である。そのため、必要に応じてMgを含有させても良い。しかし、Mgを過剰に含有させると、靱性に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、含有させる場合のMg含有量は0.01%以下とする。Mg含有量は0.005%以下であるのが望ましい。一方、上記の効果を得るためには、Mg含有量は0.0005%以上であるのが望ましい。
ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
[P:0.02%以下]
Pは不純物元素であり、その含有量が多量となると靭性を著しく劣化させるため、0.02%以下に限定する。P含有量は少ない方が望ましく、0.01%以下であることが望ましい。
Sは不純物元素であり、その含有量が多量となると靭性を著しく劣化させるため、0.01%以下に限定する。S含有量は少ない方が望ましく、0.005%以下であることが望ましく、0.002%以下であることがより望ましい。さらに望ましくは0.0010%以下とする。
Nは不純物元素であり、その含有量が多量となると靭性を著しく劣化させるため、0.01%以下に限定する。N含有量は少ない方が望ましく、0.009%以下であることが望ましく、より望ましくは0.007%以下とする。なお、TiやZrを含有させることにより、Nの含有量を0.004%以上とすることで、HAZの靭性が改善される場合がある。
Oは不純物元素であり、その含有量が多量となると靱性を著しく劣化させるため、0.003%以下に限定する。O含有量は少ない方が望ましく、0.002%以下であることが望ましい。
Pcmは溶接割れ感受性組成を意味し、下記(1)式で定義される。Pcmが小さすぎると強度が低下する可能性があるため、Pcmは0.10%以上とする。Pcmは0.15%以上とすることが望ましい。また、Pcmが大きくなると溶接割れが起こりやすくなるため、Pcmは0.20%以下とする。Pcmは0.18以下とすることが望ましい。
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B ・・・(1)
CeqLは炭素当量を意味し、下記(2)式で定義される。CeqLを大きくすることは強度上昇に寄与するため、CeqLは0.10%以上とする。CeqLは0.30%以上とすることが望ましい。一方、CeqLが過剰であると溶接割れが起こりやすくなり、また靭性を劣化させる可能性もあるため、CeqLは0.60%以下とする。CeqLは0.40%以下とすることが望ましい。
CeqL=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5・・・(2)
ここで、式中の各元素記号は、鋼板中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
本発明に係る厚鋼板は、そのミクロ組織が主としてフェライト組織とパーライト組織から構成される複合組織である。なお、フェライト組織とパーライト組織に加えて、ベイナイト、マルテンサイト、及びMA(Martensite-Austenite constituent)の1種又は2種以上を含んでもよい。ミクロ組織は光学顕微鏡によって観察することができ、フェライト面積率、パーライト面積率、フェライト組織の平均粒径、パーライト最大長さは、撮影した写真を用いて測定することができる。
[パーライト面積率:3%以上15%未満]
本発明において、耐サワー性に優れた鋼板を得るためには、フェライト面積率が85%超、パーライト面積率が15%未満とすることが必要である。軟質組織であるフェライトは、その面積率が大きいほど耐サワー性に好ましい。また、硬質組織であるパーライトは、その面積率が小さいほど耐サワー性に好ましい。ただし、強度を確保するため、パーライトの面積率は3%以上必要である。そのため、フェライトの面積率の上限は、97%以下となる。
良好な靭性を有する鋼板を得るために、フェライト組織の平均粒径を10μm未満とする必要がある。フェライト組織の平均粒径は5μm未満が望ましい。フェライト組織の平均粒径は小さいほど好ましいが、熱間圧延の際に低温での圧下を増加させることが必要になる。このような製造上の制約を考慮すれば、フェライト組織の平均粒径は1μm以上であってもよく、3μm以上とすることもできる。
良好な耐サワー性を有する鋼板を得るためには、パーライト最大長さを100μm以下とすることが必要である。パーライト最大長さは50μm以下がより望ましく、30μm以下がさらに望ましい。パーライト最大長さは小さいほど好ましいが、パーライト組織を微細化する観点から、5μm以上であってもよく、10μm以上とすることもできる。
本発明に係る鋼板の板厚については特に制限はされないが、耐サワー性、及び靱性を向上させるという作用効果は、特に板厚が6mm以上の厚鋼板に適用することで発揮される。一方、熱間圧延後の鋼板の板厚が大きすぎる場合には、水冷を行っても鋼材の平均冷却速度を高めることが困難となるため、上記の耐サワー性、及び靱性を向上させるという作用効果が十分に得られなくなるおそれがある。したがって、板厚は40mm以下であればよいが、13mm以下であることが望ましい。
上記で説明した化学組成を有する鋼片を用いて、以下に示す熱間圧延工程、及び冷却工程を備えた製造方法を用いることにより、本発明の鋼板を比較的効率良く製造することができる。なお、温度は鋼片または鋼板の表面で測温するが、圧延ロール等との接触または水冷の影響で一時的に大きく表面温度が下がり、その後に表面温度が上昇する場合には、復熱後の表面温度を意味する。
熱間圧延は、鋼片の鋳造後、そのまま行ってもよく、鋳造後に鋼片を、一旦、冷却し、加熱してから行ってもよい。圧延前の加熱温度は、熱間圧延を容易に行うため、900℃以上とすることが望ましい。加熱温度を高くすることにより、Nb、V、Ti、Zr等の炭化物、窒化物などを固溶させて、強度、靭性や耐サワー性を改善する効果も得られる。加熱温度は1000℃以上とするのがより望ましく、1100℃以上とするのがさらに望ましい。しかし、加熱温度が高すぎると、オーステナイト結晶粒が粗大化して靱性が劣化し易くなる。したがって、加熱温度は1250℃以下とするのが望ましい。
{(900℃に達した時点の厚さ)−(圧延仕上厚さ)}/(900℃に達した時点の厚さ)×100(%)
を意味する。
熱間圧延の仕上温度が低すぎると、水冷開始温度をAr3超とすることができなくなり、良好な耐サワー性の確保が困難になる。このため、熱間圧延の仕上温度をAr3超とすることが必要である。なお、本明細書でAr3とは、空冷の場合の変態開始温度を意味する。Ar3は、熱膨張測定によって求めることができる。
[冷却開始温度:Ar3超]
冷却開始温度がAr3よりも低くなると、フェライトバンド、パーライトバンドが生成するために、耐サワー性が劣化し、また強度も低下するため、冷却開始温度はAr3超とすることが必要である。熱間圧延の完了と同時に加速冷却を開始した場合が冷却開始温度の上限であり、冷却開始温度は熱間圧延の仕上げ温度以下である。
冷却停止温度が高すぎると、フェライトバンド、パーライトバンドを解消する効果が小さくなり、耐サワー性の確保が困難になる。そのため、冷却停止温度を(Ar3−30℃)以下とすることが必要である。なお、バンド組織を解消するためには冷却停止温度を(Ar3+Ar1)/2付近とすることが望ましく、実操業では、(Ar3−60℃)以下とすることが望ましい。また、冷却停止温度が低すぎると、靭性が低下する場合があるため、冷却停止温度を650℃超とする。
圧延終了後の冷却工程における平均冷却速度が小さすぎると、フェライトバンド、パーライトバンドを解消する効果が小さくなり、耐サワー性の確保が困難になり、また強度も低下する。さらに、加速冷却はフェライト組織の微細化にも有効である。そのため、平均冷却速度は3℃/s以上とすることが必要である。平均冷却速度は10℃/s以上とすることが望ましい。しかし、平均冷却速度が大きすぎると、均一な冷却が得られない場合、または靭性が低下する場合がある。そのため、平均冷却速度は60℃/s未満とすることが望ましく、40℃/s未満とすることがより望ましい。
表1に示す化学組成を有する厚さ250mmの鋼片を用いて、表2に示す条件にて加熱、熱間圧延、加速冷却を行い、放冷(空冷)して鋼板とした。Ar3は、鋼片から試験片を採取して、熱膨張測定によって求めた。熱間圧延は900℃以下の温度域における合計圧下率が50%以上となる条件で行った。
観察面が板厚方向と圧延方向に平行な面となる試料を鏡面研磨し、ナイタールで腐食して、光学顕微鏡を用いて、板厚方向1/2位置にて倍率を500倍として10視野ずつ撮影した。このようにして得られた写真から、フェライト面積率、パーライト面積率、フェライト組織の平均粒径、及び連続したパーライト組織領域の圧延方向の最大長さを求めた。なお、フェライト組織の平均粒径とは、ASTM−E112に準拠して求めたASTM公称粒径を意味する。
耐サワー性を評価するため、水素割れ試験片(厚さ:鋼板より表裏面を0.5mm減厚、幅:20mm、長さ:100mm)を、試験片の中心が板厚方向1/2位置になるように、かつ試験片の長辺が圧延方向に対して平行になるように、各鋼板から3本ずつ採取した。これらの試験片に対して、NACE TM0284規定のSolution A液を使用して、1気圧の硫化水素、25℃の環境で96時間の浸漬を行い、割れ面積率(CAR)を評価した。
板状試験片を、試験片の中心が板厚方向1/2位置になるように、試験片の軸が圧延方向に対して垂直になるように採取した。試験片形状は、平行部の直径6mmの14A号試験片(JIS Z 2201)を用いて室温で行い、引張強度(TS)を測定した。
<シャルピー試験>
Vノッチ試験片(JIS Z 2242)を、試験片の中心が板厚方向1/2位置になるように、試験片の長辺が圧延方向に対して垂直になるように採取した。シャルピー試験は各鋼板について試験片3本ずつ実施し、−80℃での吸収エネルギーの平均値(vE−80)を求めた。
ミクロ組織観察結果および各試験結果を表2に示す。本発明で規定される条件を満足する板番号1〜7は、CARが1%未満、TSが535MPa以上(ラインパイプX65級の強度)であり、vE−80が200J以上であり、各性能が良好である。一方、本発明で規定される条件を満足していない板番号8〜12は、いずれかの性能が劣る結果となった。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.02〜0.09%、
Si:0.01〜0.60%、
Mn:0.1〜2.0%、
sol.Al:0.005〜0.09%
を含有し、さらに、
Cu:0.90%以下、
Ni:0.90%以下、
Cr:0.90%以下、
Mo:0.90%以下、
V:0.09%以下、
Nb:0.09%以下、
Ti:0.09%以下、
B:0.004%以下、
Ca:0.01%以下、
REM:0.1%以下、
Zr:0.1%以下、
Mg:0.01%以下、
の1種又は2種以上を含有し、残部がFe及び不純物からなり、前記不純物のうち、P、S、N、Oを、
P:0.02%以下、
S:0.01%以下、
N:0.009%以下、
O:0.003%以下
に制限し、
(1)式に示すPcmが0.10〜0.20%、(2)式に示すCeqLが0.10〜0.60%であり、
フェライト面積率が85%超、フェライト平均粒径が10μm未満、
パーライト面積率が3%以上15%未満、パーライト最大長さが100μm以下
であることを特徴とする耐サワー性に優れた鋼板。
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B ・・・(1)
CeqL=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 ・・・(2)
ここで、式中の各元素記号は、鋼板中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。 - 請求項1に記載の化学組成を有する鋼片に、仕上温度をAr3超とする熱間圧延を施した後、冷却開始温度が前記熱間圧延の仕上温度以下で、かつ、Ar3超、冷却停止温度が650℃超かつ(Ar3−30℃)以下、平均冷却速度が3℃/s以上である加速冷却を行うことを特徴とする耐サワー性に優れた鋼板の製造方法。
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